一种具有高表面精度的三维打印的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种具有高表面精度的三维打印机，包括粉床、铺粉辊、升降工作缸、激光器、光路聚焦器、扫描振镜、磨头、磨头主轴、多轴联动系统、以及粉末材料，粉床与三维打印机的机身连接，升降工作缸设置于粉床的下部，且其下端面与粉床的上表面平齐，升降工作缸内装有粉末材料和成型制件，铺粉辊设置于粉床的上端面，并在粉床的左右来回滚动，用于输送粉末材料到粉床中，并将粉床中的粉末材料铺平，激光器固定在三维打印机的机身上，光路聚焦器固定在三维打印机的机身上，设置于扫描振镜和激光器之间，用于聚焦激光器的光斑，扫描振镜固定在三维打印机的机身上。本实用新型能解决现有三维打印机中存在的制件表面粗糙、尺寸精度差的问题。
【专利说明】一种具有高表面精度的三维打印机
【技术领域】
[0001]本实用新型属于金属零件直接制造【技术领域】，更具体地，涉及一种具有高表面精度的三维打印机。
【背景技术】
[0002]我国三维打印技术,过去称为快速成型技术(Rapid Prototype,简称RP)的研究始于1991年。近几年来，我国三维打印机制造技术飞速发展，已研制出与国外SLA、L0M、SLS、SLM、FDM等工艺方法相似的设备，并逐步实现了商品化，其性能达到了国际水平。我国三维打印机主要应用于产品设计、快速模具制造、铸造、医学等领域。在产品设计领域，三维打印机使CAD产生的概念模型实物化；利用三维打印机制造的实物模型做设计评价，可以将产品的设计缺陷消灭在设计阶段，最终提高产品的整体设计质量；此外，还可以利用三维打印模型做性能和功能测试，如机构运动分析、流动分析、应力分析、流体和空气动力学分析等。三维打印机在快速模具制造领域的应用，可以分为直接和间接两大类:可以直接制造模具的快速成型工艺主要有SLS、L0M、FDM、SLM等；间接制造模具的方法主要是用快速成型模型作为母模，翻制快速经济模具，如硅橡胶模具、聚氨酯模具、金属喷涂模具、环氧树脂模具等。在铸造领域，三维打印机的应用主要包括直接浇注铸件、用原型翻制母模后再浇注铸件、选用适当的树脂制造原型等等。在医学领域，三维打印机设计制造具有相当准确度和适配度的可植入的假体，能够提高美观度、缩短手术时间、减少术后并发症等。
[0003]现有的金属直接成形三维打印机是以各种纯金属或合金粉末材料作为加工原料，采用中小功率激光器快速、完全熔化待成形区域金属粉末后，结合快速冷却凝固技术，可以获得非平衡态过饱和固溶体及均匀细小的金相组织，其成型零件致密度近乎100%，机械性能与锻造零件相当。该装置主要由激光器、机械传动装置、电气控制装置和计算机控制系统四大部分组成。激光器为设备的能量源，机械结构形成设备的物理架构，电气系统主司各执行部件，计算机完成数据传输与处理、加工控制和人机交互等。这四大部分形成一个功能完备的数控系统。
[0004]但是，目前三维打印机仍然存在着一些问题:三维打印机虽然可以加工几乎任意复杂的三维制件，但由于金属粉末在激光熔化过程固有的“球化效应”，而且由于层层叠加会产生“台阶效应”，所以三维打印机打印出来的三维制件存在表面粗糙和尺寸精度差的缺陷。
实用新型内容
[0005]针对现有技术的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种具有高表面精度的三维打印机，旨在解决现有三维打印机中存在的三维制件表面粗糙、尺寸精度差的技术问题。
[0006]为实现上述目的，本实用新型提供了一种具有高表面精度的三维打印机，包括粉床、铺粉棍、升降工作缸、激光器、光路聚焦器、扫描振镜、磨头、磨头主轴、多轴联动系统、以及粉末材料，粉床与三维打印机的机身连接，升降工作缸设置于粉床的下部，且其下端面与粉床的上表面平齐，升降工作缸内装有粉末材料和成型制件，铺粉辊设置于粉床的上端面，并在粉床的左右来回滚动，激光器固定在三维打印机的机身上，光路聚焦器固定在三维打印机的机身上，设置于扫描振镜和激光器之间，扫描振镜固定在三维打印机的机身上，磨头安装在磨头主轴的顶端，磨头主轴与多轴联动系统连接，多轴联动系统固定在三维打印机的机身上。
[0007]优选地，粉末材料是由金属材料制成，并且是加工成型制件的原材料。
[0008]优选地，激光器4是功率为200W?1000W光纤激光器。
[0009]优选地，光斑直径为100微米至500微米。
[0010]优选地，磨头主轴使用转速为20000rpm的机械主轴。
[0011]通过本实用新型所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本实用新型具有以下的有益效果:
[0012]1、由于在三维打印机中增加了机械研磨装置，在堆叠成型过程中对制件进行逐层高速研磨，因此得到的三维制件表面精细，粗糙度低。
[0013]2、由于研磨采用了多轴联动系统，可以进行制件表面全方位研磨，并且在研磨时磨头进给量小，因此得到的三维制件尺寸精度高。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是本实用新型具有闻表面精度的二维打印机的不意图。
【具体实施方式】
[0015]为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0016]如图1所示，本实用新型具有高表面精度的三维打印机包括粉床1、铺粉辊2、升降工作缸3、激光器4、光路聚焦器5、扫描振镜6、磨头7、磨头主轴8、多轴联动系统9、以及粉末材料10。
[0017]粉床I与三维打印机的机身连接。
[0018]升降工作缸3设置于粉床I的下部，且其下端面与粉床I的上表面平齐，升降工作缸3内装有粉末材料10和成型制件11，并可升降。
[0019]粉末材料10是由金属材料制成，并且是加工成型制件11的原材料。
[0020]铺粉辊2设置于粉床I的上端面，并在粉床I的左右来回滚动，用于输送粉末材料10到粉床I中，并将粉床I中的粉末材料10铺平。
[0021]激光器4固定在三维打印机的机身上，并能在通电后发射出高能激光束。在本实施方式中，激光器4是功率为200W?1000W光纤激光器。
[0022]光路聚焦器5固定在三维打印机的机身上,设置于扫描振镜6和激光器4之间，并将激光器4的光斑聚焦到指定大小(光斑直径通常为100微米至500微米)，使光斑能量密度达到能够熔化粉末材料10的要求。
[0023]扫描振镜6固定在三维打印机的机身上,并可改变激光器4的激光束在粉床I上聚焦的位置。[0024]磨头7安装在磨头主轴8的顶端，磨头主轴8与多轴联动系统9连接，并可随多轴联动系统在6个自由度内运动，以驱动磨头7旋转，进而对成型制件11进行研磨。在本实施方式中，磨头主轴8使用转速为20000rpm的机械主轴。
[0025]多轴联动系统9固定在三维打印机的机身上，并驱动磨头7运动。多轴联动系统9在激光器4工作时，将磨头7和磨头主轴8移动到粉床I的边缘，并保持静止状态；在激光器4停止工作后，多轴联动系统9将磨头I和磨头主轴8移动到成型制件11的上方开始研磨工作，不会对激光束的作用产生干涉。在本实施方式中，多轴联动系统具有3至6轴。
[0026]以下描述本实用新型的工作原理:
[0027]首先，激光器4在通电后发射出高能激光束，光路聚焦器5将激光器4的光斑聚焦到指定大小，扫描振镜6控制经过光路聚焦器5聚焦后的激光器光束照射在粉床I上待成型区域的粉末材料10上，从而金属粉末10快速熔化并凝固在一起，在照射完一层粉末材料10后，位于激光器4和粉床I中间的磨头7运动到成型制件11的上方指定位置，开始对成型制件11轮廓进行高速研磨，研磨结束后，磨头7自动退回到初始位置，其后，升降工作缸3下降一定距离，铺粉辊2在已成型的粉末材料层之上铺展一定层厚(具体为50微米至200微米)的粉末材料10，然后，重复上述照射和研磨过程，直至所有三维CAD模型的切片层全部扫描和研磨完毕为止，最后制件打印完毕。
[0028]本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种具有高表面精度的三维打印机，包括粉床、铺粉辊、升降工作缸、激光器、光路聚焦器、扫描振镜、磨头、磨头主轴、多轴联动系统、以及粉末材料，其特征在于， 粉床与三维打印机的机身连接； 升降工作缸设置于粉床的下部，且其下端面与粉床的上表面平齐； 升降工作缸内装有粉末材料和成型制件； 铺粉辊设置于粉床的上端面，并在粉床的左右来回滚动； 激光器固定在三维打印机的机身上； 光路聚焦器固定在三维打印机的机身上，设置于扫描振镜和激光器之间； 扫描振镜固定在三维打印机的机身上； 磨头安装在磨头主轴的顶端，磨头主轴与多轴联动系统连接； 多轴联动系统固定在三维打印机的机身上。
2.根据权利要求1所述的三维打印机，其特征在于，粉末材料是由金属材料制成，并且是加工成型制件的原材料。
3.根据权利要求1所述的三维打印机，其特征在于，激光器是功率为200W?IOOOW光纤激光器。
4.根据权利要求1所述的三维打印机，其特征在于，光斑直径为100微米至500微米。
5.根据权利要求1所述的三维打印机，其特征在于，磨头主轴使用转速为20000rpm的机械主轴。
【文档编号】B22F3/105GK203470904SQ201320546496
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年9月3日 优先权日:2013年9月3日
【发明者】史玉升, 张李超, 贾和平, 夏伟 申请人:华中科技大学, 江苏九钰机械有限公司